劉佩垚 趙 俊 田 偉 朱準平

（1中聯(lián)西北工程設計研究院有限公司 陜西西安 710082 2南昌航空大學材料科學與工程學院 江西南昌 330063 3青島博邁斯環(huán)保技術有限公司 山東青島 266071）

引言

隨著我國城市化進程的加快，城市污水處理率逐年提高，城市污水處理廠的污泥產(chǎn)量急劇增加[1]。截至2015年，全國城鎮(zhèn)污水處理能力已達到2.17億立方米/日，城市污水處理率達到92%。污水中的污染物和營養(yǎng)成分在大量繁殖的細菌和化學藥劑的作用下形成聚集，逐漸增大的團粒結構最終在水中沉淀下來，形成污泥。添加高分子絮凝劑，采用物理方法濃縮，可以脫去大部分或一部分所謂的自由態(tài)水，形成我們所見到的脫水污泥。細菌及大部分寄生生物留存在污泥中，病毒吸附在污水中的顆粒上，隨顆粒的沉淀也沉積到污泥中[2]。生活污泥中病原菌的數(shù)量每克以億計，未經(jīng)恰當處理處置的污泥進入環(huán)境后，污泥中攜帶的病原微生物和寄生蟲卵，加上很難處理的重金屬和持久性有機物，將直接給水體和大氣帶來二次污染。顯然，如果污泥處置不當，不但降低了污水處理系統(tǒng)的有效處理能力，對生態(tài)環(huán)境和人類活動構成了嚴重威脅[3]。目前國內(nèi)污泥的處理主要有棄置、填埋、堆肥、焚燒等方法，但只有不到1%的污泥通過堆肥等技術處理后回再次利用。長久以來，這些傳統(tǒng)的處理方法在對待污泥問題上發(fā)揮著重要的作用，但是隨著近年來環(huán)境標準的變化和污泥產(chǎn)率的日益增加，其中隱藏的弊端就逐漸暴露在公眾面前[4]。

1 污泥處理

1.1 污泥處理技術

傳統(tǒng)的污泥處理方法主要包括填埋、堆肥、焚燒和干化。由于污泥填埋會對地下水造成很大影響，2005年歐洲開始完全禁止填埋。而運用堆肥方式處置污泥占地面積大，有害物污染擴散快，處理時間長，對周圍環(huán)境產(chǎn)生臭氣影響，堆肥后產(chǎn)生的有機肥仍不能達到無害的目的，重金屬也無法獲得有效控制。焚燒方式由于是在有氧狀態(tài)下的劇烈化學反應，產(chǎn)生大量二氧化碳氣體，另外會產(chǎn)生氮氧化物、硫氧化物、二噁英等有毒氣體，雖然實現(xiàn)了減量化、穩(wěn)定化處理，但污泥的可利用資源如磷、鉀等元素無法獲得有效利用，是純投入型處置方式，產(chǎn)生二次污染嚴重。污水處理所產(chǎn)生的污泥具有較高的含水量，由于水分與污泥顆粒結合的特性，采用機械方法脫除具有一定的限制，污泥中的有機質含量、灰分比例特別是蓄凝劑的添加量對于最終含固率有著重要影響[5]。一般來說，采用機械脫水可以獲得20%-30%的含固率，所形成的污泥也被稱為泥餅。泥餅的含水率仍然較高，具有流體性質，其處置難度和成本較高，因此有必要進一步減量[5]。此時，在自然風干之外，只有通過輸入熱量形成蒸發(fā)，才能夠實現(xiàn)大規(guī)模減量[2]。采用熱量進行干燥的處理就是熱干化。但是干化處置方式，無法實現(xiàn)穩(wěn)定化，不能達到最大減量化，處置成本高[6]。

石灰投加技術是將污泥脫水后進入料斗，料斗中加入濕泥量的10%～15%的石灰和投量約為石灰投量的1%的氨基璜酸[7]。實際運行中因石灰投加造成濾沙板結的傾向，對濾池的過水流量產(chǎn)生限制，降低污水回用量[8]。并且投加石灰后，污水的PH值會有一個明顯的增高過程，此時溶液中含大量CO32-會產(chǎn)生CaCO3沉淀而導致濾沙板結，影響后續(xù)循環(huán)水產(chǎn)生。污泥水熱干化技術通過將污泥加熱，在一定溫度和壓力下破壞污泥的膠體結構，微生物細胞被破壞,有機物水解,病原菌被殺滅,污泥的脫水性和厭氧消化性能都得到提高[9-10]。剩余污泥或者濃縮污泥含水率高，熱水解加熱污泥的能耗也很高，且厭氧消化只能將污泥減量一半左右，大量剩余污泥殘渣需要處理，配套處理設施仍需要大量額外投資及運行成本[11]。污泥炭化是通過燃燒可燃性干餾氣體產(chǎn)生的熱量來蒸發(fā)污泥中的水分，大量減少污泥的重量與體積（減容率90%以上），同時回收利用污泥的熱能，達到節(jié)能目的。與堆肥技術相比：實現(xiàn)了污泥的徹底處理，而不是半處理；有效減低重金屬、病毒和細菌等危害；投資成本均低于堆肥；產(chǎn)物資源化利用價值大于堆肥產(chǎn)物。與干化技術相比：實現(xiàn)了徹底處理，不含水分；成本極大降低；產(chǎn)物應用更為廣泛。與焚燒技術相比：無二次污染、節(jié)能；投資和運營成本低。

1.2 污泥炭化技術的原理與特點

污泥炭化是指通過一定的手段，使污泥中的水分釋放出來，同時又最大限度地保留污泥中的碳值，使最終產(chǎn)物中的碳含量大幅提高的過程[12]。污泥炭化技術的原理有如下兩點：

（1）破壞污泥細胞,釋放細胞內(nèi)水分——基于對污泥細胞結構和水分布的原理[13]。

（2）熱作用下有機物水解,破壞膠體結構——基于對污泥膠體結構和物理化學降粘度的原理[13]。

污泥炭化的方法采用在無氧環(huán)境下升溫，通過干餾和熱解的作用，其中的有機質轉化為水蒸氣、不凝性氣體和碳。主要分為高溫炭化、中溫炭化和低溫炭化三種。

（1）高溫炭化。溫度范圍在649～982℃，不需要加壓。先將污泥干化，含水率約為30%后進行高溫炭化造粒。

（2）中溫炭化。溫度范圍為426～537℃，不需要加壓。先對污泥干化使其含水率約90%，再進入炭化爐分解產(chǎn)生油、反應水（蒸汽冷凝水）、沼氣（未冷凝的空氣）和固體炭化物。

（3）低溫炭化。炭化溫度約為315℃，需要加壓約6～8Mpa，炭化前無需干化。污泥經(jīng)過炭化含水率50%以下，呈液態(tài)，經(jīng)干化造粒后可作為低級燃料使用。該技術通過加溫加壓使得污泥中的生物質全部裂解，實現(xiàn)了污泥的穩(wěn)定化[7]。污泥炭化過程中保留了絕大部分污泥中熱值，為裂解后的能源再利用創(chuàng)造了條件[14]。

污泥炭化技術能耗比傳統(tǒng)干燥技術和直接焚燒的能耗至少低一半，在無氧（或低氧）的狀態(tài)下高溫加熱，其產(chǎn)物主要為水蒸氣、干餾氣體和炭粒。炭化過程中產(chǎn)生的尾氣可導回炭化爐內(nèi)充分燃燒，少量尾氣經(jīng)過燃燒處理進行熱能直接利用后，再經(jīng)過安定化和脫臭處理后最終達標排放。有機廢棄物中的重金屬95%以上經(jīng)過高溫炭化處理后可與碳作用轉化為結晶態(tài)存在，起到固化的作用。

1.3 污泥炭化技術優(yōu)勢

與現(xiàn)有的堆肥、干化、焚燒等技術相比，污泥炭化技術具有以下優(yōu)勢[7]：

①技術領先——炭化技術可實現(xiàn)污泥的最終化處理，產(chǎn)物不含水而且可以再利用。②節(jié)能——對生產(chǎn)過程中的處理產(chǎn)物二次利用。③無二次污染——還原反應不產(chǎn)生二噁英，另外干餾釋放的氣體又通回到爐內(nèi)進行燃燒。④減排——由于炭化處理是利用有機物還原分解，大部分碳被固于渣料中。⑤產(chǎn)物附加值高——處理產(chǎn)物具有類似活性炭的性質，應用廣泛。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

以污泥為主的固廢炭化（熱解）技術研究在20世紀80年代始于德國，其研發(fā)的主要目的是為了產(chǎn)熱解油，因此將溫度控制在500℃以下。20世紀90年代為該技術工業(yè)化應用發(fā)展階段，美國、日本、澳大利亞等國相繼研發(fā)出各種不同的污泥炭化裝置。這一階段主要發(fā)展在日本，以三菱、川崎、日立、松下等為代表的公司，迄今已建設有機固體廢棄物炭化處理設施超過60余個（其中污泥炭化設施約50余個，垃圾炭化設施10余個，其他稻殼炭、木炭、竹炭等生產(chǎn)項目未計入在內(nèi)），遍布全日本各個縣府。如日本愛知縣田原市“炭生館”，項目建成于2005年，占地面積11,400平方米，日處理能力60噸（2臺30噸處理能力的炭化爐），24小時運行（每年330天），2006年處理垃圾18400噸，產(chǎn)物用于煉鋼廠的增碳劑和保溫材料。日本在德國對炭化技術的研究基礎上，將炭化過程簡單化，提高炭化溫度，使產(chǎn)物僅為固態(tài)和氣態(tài)，降低了產(chǎn)物分離的難度，同時使得炭化過程可控性更高、更方便。日本的高溫炭化技術和美國的低溫炭化技術已經(jīng)逐步走向成熟。

從八十年代開始，北京、天津、廣州、深圳、杭州、西安、太原、大連等城市污水處理廠相繼建成投產(chǎn)，特別是進入九十年代以后，發(fā)展迅速，全國各地一大批大型城市污水處理廠開始建設并相繼投產(chǎn)。實際上2005年日本的高溫炭化技術開始在中國進行推廣，但污泥處置問題的忽視使得其在中國難以進行推廣和普及。目前，我國污水處理廠產(chǎn)生的污泥，大多采用填埋的方式處理，與污水處理系統(tǒng)相比污泥處理嚴重脫節(jié)。污泥不同于其它的固體廢物，其含水率高達70%以上，難以焚燒，運輸保存成本大，直接施用或棄置又可能會污染食物鏈和土壤，污泥中的超細粉末在熱干化和處理過程中存在較大的危險，這些特殊的性質使污泥處理面臨諸多難題。而目前所謂的安全處置方式大多帶來各種各樣的二次污染，其本質并不是污染源的治理，而是將污染源進行轉移。北京市清河污水處理廠于2008年投產(chǎn)使用流化床干燥工藝[15]；北京水泥廠有限責任公司于2009年投入運行渦輪薄層污泥干化工藝（意大利VOMM公司）。青島博邁斯環(huán)保技術有限公司于2010年正式采用BMS炭化系統(tǒng)。唐榕等[16]在北京真空電子技術總公司提出新型程控真空碳化設備，傳統(tǒng)工藝是將碳氫化合物高溫分解產(chǎn)生的碳沉積到釷一鎢陰極上。其基于程控閉環(huán)方法在碳化壓力、陰極電流、碳化時間等方面存在的瓶頸問題進行突破，在±0.5%偏移量要求下新型程控真空碳化設備的產(chǎn)品合格率達到97%以上。譚忠冠等[17]利用太陽能高溫集熱系統(tǒng)，采用碟式太陽能+熔鹽蓄熱的形式進行處理。通過設計高效可靠的高溫蓄熱加熱系統(tǒng)很大程度上降低傳統(tǒng)方式處理污泥所需要的加熱成本，同時也從根本上排除了對環(huán)境的二次污染。

3 污泥炭化設備

國內(nèi)外經(jīng)過幾十年的發(fā)展，污泥炭化設備常見的有以下幾種類型：

三菱公司設備結構簡單，燃氣熱源，但溫度不均勻，穩(wěn)定性差。日立和川崎公司設備采用燃氣作為熱源，外熱式能耗高，設備體積大，反應釜需吹入大量空氣和燃氣，部分污泥被燃燒，反應不穩(wěn)定，煙塵量大。博邁斯采用電能作為預熱能源，無需燃氣管道，設備適應性高，炭化過程可控，結構合理，熱效率提高，燃燒室獨立占地面積小，產(chǎn)品穩(wěn)定，品質均勻。

其中青島博邁斯環(huán)保技術有限公司BMS炭化系統(tǒng)污泥類處理整體圖如下：

圖1 青島博邁斯BMS炭化系統(tǒng)污泥類處理整體示意圖

4 污泥產(chǎn)物二次利用

有機質含量較高的固體廢棄物經(jīng)過高溫炭化形成的碳粒稱為再生碳，具有多孔結構，孔隙最小近2nm，比表面積大（如農(nóng)林業(yè)廢棄物經(jīng)炭化后比表面積可達450m2/g），因此具有強大的吸附能力。污泥再生碳的物化特點：含40～60%固定碳，碘吸附能力每克 100～300mg，比表面積達 10～90m2/g，燃點為 350～400℃，氮含量1～3%，磷含量4～15%，鉀含量1～3%。主要具有下列用途：①具有吸附VOC（揮發(fā)性有機化合物）的能力；②具有吸附重金屬和各種農(nóng)藥殘留的能力；③具有促進微生物降解的能力，可以為微生物提供適宜的生態(tài)環(huán)境；④碳粒為弱堿性，具有酸性土壤的中和效果；⑤可修復農(nóng)作物連作種植對土壤的傷害；⑥其多孔性形成的透水性、通氣性可修復粘土質土壤；⑦其多孔性形成的保水性、保肥性可修復砂化土壤。

結語

污泥炭化作為一種新型的污泥處理技術在這樣的背景下應運而生，在實現(xiàn)污泥的減量化、無害化和資源化的同時，還可以產(chǎn)生碳基產(chǎn)物，以解決污泥生物可利用性差的問題，但大量污泥的安全處置理論研究和技術系統(tǒng)建設問題亟待探索和解決，已成為目前國內(nèi)外污泥處理技術研究的熱點[18-19]。新的污泥處理工藝開發(fā)研究，根據(jù)不同污泥的特性完善污泥炭化工藝，最終實現(xiàn)多種污泥的炭化處理，并在生產(chǎn)過程完全達到環(huán)保和生產(chǎn)安全要求。污泥炭化處理技術及相應炭化設備，對污泥炭化系統(tǒng)進行信息化改造，能夠實現(xiàn)遠程監(jiān)控和指揮，并能夠實現(xiàn)自動化控制。將污泥炭化系統(tǒng)劃分成多個模塊、確定各模塊任務、分析模塊間關系并確定各模塊技術指標，實現(xiàn)目標分解。針對不同的污泥處理工藝，進行參數(shù)更新，形成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。尋求相關企業(yè)進行現(xiàn)場試用，為進一步推廣應用和今后的產(chǎn)業(yè)化和批量生產(chǎn)提供生產(chǎn)樣機和經(jīng)驗。